專利名稱：一種微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種放電加工微納三維結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
放電加工作為特種加工技術(shù)之一在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)品微細化，微納三維 結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)及方法的研究已經(jīng)成為制造領(lǐng)域的主要課題之一。按加工原理的不同，微 納三維結(jié)構(gòu)的加工分為兩大類傳統(tǒng)機械加工和特種加工。傳統(tǒng)機械加工中由于存在宏觀的 切削力，加工過程中存在應(yīng)力、發(fā)熱等現(xiàn)象，在微、納米級加工中，不易控制材料的加工精 度。由于存在著表面應(yīng)力，加工后零件的表面完整性受到影響。同時，傳統(tǒng)機械加工易受材 料硬度及加工零件類型的限制。特種加工不存在宏觀的切削力，廣泛用于難切削材料、硬脆 材料和復(fù)雜型面的加工中。在特種加工中，電化學(xué)加工精度較低，加工復(fù)雜型腔和型面時， 工具的制造費用高，且電解液對設(shè)備有一定的腐蝕作用，電解時產(chǎn)生的氣體對環(huán)境有一定的 污染；激光加工的形狀精度和表面粗糙度差；電子束和離子束加工需要真空環(huán)境，實際應(yīng)用 中具有局限性；放電加工因加工過程無接觸應(yīng)力，能實現(xiàn)低硬度工具加工高硬度工件，同時 通過控制電極尺寸就可實現(xiàn)相應(yīng)尺度的微納三維結(jié)構(gòu)加工。
傳統(tǒng)放電加工異形曲面時要使用與所需型面相應(yīng)的異形電極，需要同等精度的用于精加 工的成型電極和用于粗加工的異形電極，使得放電加工的成本增加。使用分層掃描的加工方 法，只需要柱狀電極就可完成所需型面的加工。與放電傳統(tǒng)成形加工相比，分層掃描加工方 法還具有一下優(yōu)勢可加工傳統(tǒng)成型加工有困難、甚至無法加工的工件；采用簡單電極加工 ，簡化了工藝；采用簡單電極加工，電極和工件之間的間隙大，排屑容易；使用簡單電極， 可以在保持相對加工面積較小的情況下進行加工，從而有效的減小電容效應(yīng)，獲得更低的表 面粗糙度。在放電掃描加工過程中，通過合理設(shè)計加工路徑和分層厚度可以使用同一根電極 進行初加工和精加工。 一些文獻([1]宋馨來.微細電火花加工中的CAD/CAM技術(shù)研究[D].南 京航空航天大學(xué).[2]楊樣，王振龍，趙萬生.微細電火花銑削CAD/CAM方法研究[J].機械工程學(xué)報.)給出了電火花掃描加工中電極路徑的設(shè)計和電極損耗補償?shù)姆椒ā?br> 上述方法中，電火花加工用電極直徑限制了微納三維結(jié)構(gòu)的加工尺寸。電極的微細化能
夠增強電火花加工微納三維結(jié)構(gòu)的能力，拓寬電火花加工的應(yīng)用范圍。同時，由于被加工結(jié)
構(gòu)的尺寸太小，利用外部沖液的方式，很難進行排屑，使得放電加工過程中排屑問題顯得更
加突出，從而制約了微細結(jié)構(gòu)尺寸的進一步縮小。
如果利用某些具有良好的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能的納米線、納米管，作為電火花加工用電
極材料，那么就可以解決微納級放電加工的電極制備困難的問題。例如，目前碳納米管的加
工技術(shù)已十分完善，現(xiàn)有技術(shù)能制備直徑幾個納米到一百納米的納米管，碳納米管束的直徑
也可達到幾微米，非常適合用于微納放電加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對如黃銅、紫銅、鋁、鋼、硬質(zhì)合金等導(dǎo) 電材料，提出一種納米放電加工微米、納米級微納三維結(jié)構(gòu)的方法。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下
一種微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法，用于在導(dǎo)電材料上加工微納三維結(jié)構(gòu)，包括下列 步驟
(1) 采用聚焦離子束金屬沉積法、微納粘結(jié)法、微納焊接法等技術(shù)將導(dǎo)電性的納米線 或納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上；
(2) 將電極夾持裝置置于具有納米級分辨率的電極進給位移臺上； (3)將導(dǎo)電材料工件置于X/Y精密位移臺上；
(4) 將脈沖電源的負(fù)極接到探針上，其正極接到工件上；
(5) 利用多軸運動控制器控制放置有電極夾持裝置的位移臺，由脈沖電源提供放電加 工的工作電壓，并由放電間隙電壓采集裝置采集放電間隙電壓，采集到的數(shù)據(jù)被送入工控機 內(nèi)，由工控機根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，并通過多軸運動控制器控制電極進給 位移臺的移動，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工微納三維結(jié)構(gòu)過程；并工控機通過多軸運動控 制器控制X/Y精密位移臺的移動，實現(xiàn)對工件位置的調(diào)整和加工軌跡的控制。
作為優(yōu)選實施方式，本發(fā)明采用聚焦離子束金屬沉積法、微納粘結(jié)法、微納焊接法等技 術(shù)將納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上，在放電加工過程中，導(dǎo)入l 3Mpa壓力的工作液，將加工液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力 將放電過程中產(chǎn)生的廢屑帶走；所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大 輸出電流2A。工控機根據(jù)當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，利用如下方法控制電極的進給如果放電加 工處于正常放電狀態(tài)，則電極保持當(dāng)前位置；如果放電加工處于開路狀態(tài)，工控機則向多軸 運動控制器發(fā)送指令，使電極進給位移臺向前進給，則電極向靠近工件的方向移動，以減小 放電間隙，直到放電加工從開路狀態(tài)進入正常放電加工狀態(tài)；如果放電加工處于短路、電弧 放電狀態(tài)，工控機則向多軸運動控制器發(fā)送指令，使電極進給位移臺后退，則電極向遠離工 件的方向移動，以增大放電間隙，直到放電加工從短路、電弧狀態(tài)進入正常放電加工狀態(tài)。
本發(fā)明同時提供一種微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，用于在導(dǎo)電材料工件上加工微納 三維結(jié)構(gòu)，包括固定有能夠?qū)щ姷募{米線或納米管的導(dǎo)電材料探針、電極夾持裝置、具有納 米級分辨率的電極進給位移臺、多軸運動控制器、X/Y精密位移臺、脈沖電源、間隙電壓檢 測裝置、工控機。其中，電極夾持裝置用于固定導(dǎo)電材料探針，并置于具有納米級分辨率的 電極進給位移臺上，位移臺的移動通過具有納米級數(shù)控分辨的多軸運動控制器進行控制； X/Y精密位移臺用于放置工件；通過具有納米級數(shù)控分辨的多軸運動控制器分別控制電極進 給位移臺和X/Y精密位移臺的移動；脈沖電源提供放電加工所需要的工作電壓；間隙電壓檢
測裝置采集的電壓數(shù)據(jù)被送入工控機，由工控機根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，通 過多軸運動控制器控制電極進給位移臺的移動，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工微納三維結(jié)構(gòu)
過程；并由工控機通過多軸運動控制器控制X/Y精密位移臺的移動，實現(xiàn)對工件位置的調(diào)整 和加工軌跡的控制。
作為優(yōu)選實施方式，所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大輸出電 流2A。
本發(fā)明使放電加工的尺寸達到微米、納米級，同時解決了加工過程的排屑問題，從而能 夠?qū)崿F(xiàn)具有微米、納米級復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工，豐富了微納加工領(lǐng)域的技術(shù)方法。


圖l納米線、納米管電極制備顯微圖。 圖2本發(fā)明采用的納米放電加工系統(tǒng)框圖。
具體實施方式
本發(fā)明使用納米線、納米管作為納米放電加工用電極進行微米、納米級復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的 加工，而作為電極的納米線、納米管需要具備下述條件
納米線、納米管需要具備良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能。例如，碳納米管的熔點是 目前已知材料中最高的，在放電加工中不易被熱腐蝕；其次，碳納米管分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有 很高的熱穩(wěn)定性；第三，碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，因而具有良好的電學(xué)性能 ，同時碳納米管沿管軸方向上熱交換性很高，加工中利于散熱；最后，碳納米管具有良好的 力學(xué)性能，其抗拉強度達到50 200GPa，是鋼的100倍，可加工出長徑比接近1000的微軸， 同時還具有較高的徑向剛性。碳納米管的上述特性，使得碳納米管作為放電加工用電極，能 滿足微細放電加工過程中所需的低損耗率和抗變形能力。
此外，納米管做電極進行放電加工，可利用其中空結(jié)構(gòu)的特點，導(dǎo)入一定壓力的絕緣介 質(zhì)，將帶有一定壓力的加工液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力將放電過程中產(chǎn)生的 碎屑帶走，從而解決微納放電加工的排屑問題。
如圖1所示，采用金屬沉積法，利用FIB (聚焦離子束加工技術(shù))將碳納米管粘接到鎢探 針針尖上，那么電壓就可通過鎢探針針尖導(dǎo)至碳納米管。
如圖2所示，納米放電加工系統(tǒng)由電極進給控制系統(tǒng)、納米放電加工電源、間隙電壓檢 測裝置、放電間隙控制算法、X/Y精密位移臺以及工控機構(gòu)成。
下面詳細介紹本發(fā)明的納米放電加工微米、納米級復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的方法。
1、 納米放電加工電極制備
采用聚焦離子束金屬沉積法、微納粘結(jié)法、微納焊接法等技術(shù)將納米管固定到導(dǎo)電材料 制成的探針針尖上。如圖l所示為采用金屬沉積法，利用FIB (聚焦離子束加工技術(shù))將碳納 米管2粘接到鎢探針針尖1上。此外，碳納米管2做電極進行放電加工，可利用其中空結(jié)構(gòu)的 特點，導(dǎo)入l 3Mpa壓力的工作液，如煤油、電火花加工油、去離子水等等，將帶有一定壓 力的工作液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力將放電過程中產(chǎn)生的碎屑帶走，從而解 決微納放電加工中的排屑問題。
2、 電極進給控制系統(tǒng)
構(gòu)建一個適合納米放電加工的高精度電極進給控制系統(tǒng)，包括具有納米級分辨率的位移 臺和納米級數(shù)控分辨的多軸運動控制器。電極進給位移臺配備高精密光柵，作為位移臺移動 的位置反饋裝置，向多軸運動控制器提供位置反饋信息，多軸運動控制器則根據(jù)位置反饋信 號對電極進給位移臺的移動進行控制，以此構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)電極的納米級高精度進給。
3、 納米放電加工電源
構(gòu)建一個適合納米放電加工的高品質(zhì)脈沖電源，電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓 0-120V，最大輸出電流2A。加工采用負(fù)極性，即電極接負(fù)極，工件接正極。
4、 間隙電壓檢測裝置
構(gòu)建一個高采樣率的電壓采集系統(tǒng)，對納米放電加工過程的納米線、納米管與工件之間 的放電間隙電壓進行采集。通過高頻數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)放電電壓采集，其最高采樣頻率可達 5腿z。首先采用分壓電路將放電電壓調(diào)整到0到5V，然后將電壓輸入數(shù)據(jù)采集卡，對電壓進 行采集，進而實時采集當(dāng)前放電間隙電壓，最后將放電間隙電壓采樣值傳輸給工控機進行間 隙電壓的運算處理，作為控制電極進給的依據(jù)。
5、 放電間隙控制算法
編制放電間隙控制算法，算法可對間隙電壓檢測裝置采集到的間隙電壓進行運算處理。 工控機則根據(jù)運算處理得到的電壓波形判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)。如果放電加工處于正常放 電狀態(tài)，工控機則穩(wěn)定電極當(dāng)前位置；如果放電加工處于正常放電狀態(tài)，則電極保持當(dāng)前位 置；如果放電加工處于開路狀態(tài)，工控機則向多軸運動控制器發(fā)送指令，使電極進給位移臺 向前進給，則電極向靠近工件的方向移動，以減小放電間隙，直到放電加工從開路狀態(tài)進入 正常放電加工狀態(tài)；如果放電加工處于短路、電弧放電狀態(tài)，工控機則向多軸運動控制器發(fā) 送指令，使電極進給位移臺后退，則電極向遠離工件的方向移動，以增大放電間隙，直到放 電加工從短路、電弧狀態(tài)進入正常放電加工狀態(tài)。
6、 X/Y精密位移臺
多軸運動控制器可實現(xiàn)8軸聯(lián)動精密運動控制，在實現(xiàn)對電極進給位移臺控制的同時， 控制X/Y精密位移臺在X/Y平面調(diào)整工件位置。X軸和Y軸精密位移臺都配備高精密光柵，作為 位移臺移動的位置反饋裝置，向多軸運動控制器提供位置反饋信號，多軸運動控制器則根據(jù) X軸和Y軸各自的位置反饋信號分別對其移動進行控制，以此構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，從而實現(xiàn) 工件的高精度移動控制。
7、 多軸運動控制器和工控機構(gòu)成的運動控制裝置
多軸運動控制器和工控機構(gòu)成的運動控制裝置能夠完成人機交互、工件位置調(diào)整、放電間隙的控制等功能。
電極進給位移臺和X/Y精密位移臺分別配備了高精密光柵，作為它們各自的位置反饋裝 置，光柵向多軸運動控制器提供位置反饋信號，多軸運動控制器則根據(jù)位置反饋信號對位移 臺的移動進行控制，以此構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)高精度的運動控制。
工控機裝載了放電加工程序，用戶可利用程序提供的接口向多軸運動控制器發(fā)送運動指 令或CAM加工代碼，實現(xiàn)對電極進給位移臺和X/Y精密位移臺的指令控制或代碼控制，從而實 現(xiàn)對電極和工件位置的調(diào)整；放電加工程序內(nèi)部還實現(xiàn)了間隙電壓控制算法，在進行納米放 電加工時，程序可與間隙電壓檢測裝置進行實時通信，對放電間隙電壓進行實時采集，然后 通過放電間隙控制算法對放電間隙電壓進行處理，判斷出電極下一步的位移，最后通過向多 軸運動控制器發(fā)送指令的方式，實現(xiàn)電極的進給。
權(quán)利要求
1.一種微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法，用于在導(dǎo)電材料上加工微納三維結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括下列步驟(1)導(dǎo)電性的納米線或納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上；(2)將電極夾持裝置置于具有納米級分辨率的電極進給位移臺上；(3)將導(dǎo)電材料工件置于X/Y精密位移臺上；(4)將脈沖電源的負(fù)極接到探針上，其正極接到工件上；(5)利用多軸運動控制器控制放置有電極夾持裝置的位移臺，由脈沖電源提供放電加工的工作電壓，并由放電間隙電壓采集裝置采集放電間隙電壓，采集到的數(shù)據(jù)被送入工控機內(nèi)，由工控機根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，并通過多軸運動控制器控制電極進給位移臺的移動，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工微納三維結(jié)構(gòu)過程；并工控機通過多軸運動控制器控制X/Y精密位移臺的移動，實現(xiàn)對工件位置的調(diào)整和加工軌跡的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，將納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上，在放電 加工過程中，導(dǎo)入l 3Mpa壓力的工作液，將加工液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓 力將放電過程中產(chǎn)生的廢屑帶走。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大輸出電流2A。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，工控機根據(jù)當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，利用如下方法控制電極的進給如果放電加工處于正 常放電狀態(tài)，則電極保持當(dāng)前位置；如果放電加工處于開路狀態(tài)，工控機則向多軸運動控制 器發(fā)送指令，使電極進給位移臺向前進給，則電極向靠近工件的方向移動，以減小放電間隙 ，直到放電加工從開路狀態(tài)進入正常放電加工狀態(tài)；如果放電加工處于短路、電弧放電狀態(tài) ，工控機則向多軸運動控制器發(fā)送指令，使電極進給位移臺后退，則電極向遠離工件的方向 移動，以增大放電間隙，直到放電加工從短路、電弧狀態(tài)進入正常放電加工狀態(tài)。
5.一種微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，用于在導(dǎo)電材料工件上加 工微納三維結(jié)構(gòu)，包括固定有能夠?qū)щ姷募{米線或納米管的導(dǎo)電材料探針、電極夾持裝置、 具有納米級分辨率的電極進給位移臺、多軸運動控制器、X/Y精密位移臺、脈沖電源、間隙 電壓檢測裝置、工控機。其中，電極夾持裝置用于固定導(dǎo)電材料探針，并置于具有納米級分 辨率的電極進給位移臺上，位移臺的移動通過具有納米級數(shù)控分辨的多軸運動控制器進行控 制；X/Y精密位移臺用于放置工件；通過具有納米級數(shù)控分辨的多軸運動控制器分別控制電 極進給位移臺和X/Y精密位移臺的移動；脈沖電源提供放電加工所需要的工作電壓；間隙電壓檢測裝置采集的電壓數(shù)據(jù)被送入工控機，由工控機根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài) ，通過多軸運動控制器控制電極進給位移臺的移動，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工微納三維結(jié)構(gòu)過程；并由工控機通過多軸運動控制器控制X/Y精密位移臺的移動，實現(xiàn)對工件位置的 調(diào)整和加工軌跡的控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所述脈沖 電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大輸出電流2A。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微納放電加工微三維結(jié)構(gòu)的方法(1)將導(dǎo)電性的納米線或納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上作為電極；(2)將電極夾持裝置置于位移臺上，并通過多軸運動控制器對位移臺的移動進行控制；(3)將導(dǎo)電材料工件置于X/Y精密位移臺上，由多軸運動控制器控制X/Y精密位移臺的移動；(4)將脈沖電源的負(fù)極接到探針上，其正極接到工件上；(5)利用工控機向多軸運動控制卡發(fā)送指令，控制放置有電極夾持裝置的位移臺，由脈沖電源提供放電加工的工作電壓，并由間隙電壓檢測裝置采集放電間隙電壓，工控機則根據(jù)間隙電壓控制電極進給位移臺的移動。本發(fā)明使放電加工的尺寸達到微米、納米級，同時解決了加工過程的排屑問題。
文檔編號B82B3/00GK101665238SQ20091030701
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者徐宗偉, 房豐洲, 王慶袆, 胡小唐 申請人:天津大學(xué)